KR102263649B1 - 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 방법 및 장치 - Google Patents

임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 방법 및 장치 Download PDF

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최해운
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계명대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 고밀도 에너지인 레이저를 적용하여 임펠라 또는 터빈용 블레이드와 코어를 레이저 가공하여 접합강도가 높아 내구성이 우수하고 빠른 가공시간으로 접합시간을 단축할 수 있는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 블레이드가 결합되는 블레이드 어셈블리를 제조하기 위해 레이저 파라미터로서 미리 결정해둔 가공정보를 저장하는 단계; 및 사용자 인터페이스를 통해 상기 가공정보를 제공받아, 상기 가공정보에 따라 상기 블레이드 어셈블리에서 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부를 레이저 가공하여 결합하는 단계;를 포함하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법 및 장치를 제공한다.

Description

임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 방법 및 장치{laser processing method for manufacturing impeller blade and turbine blade and appatus thereof}
본 발명은 임펠라 또는 터빈 블레이드 가공 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 임펠라 또는 터빈 블레이드를 브레이징 또는 용접하는 레이저 가공 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 산업계에서 가장 많이 사용되고 있는 이종금속 또는 이종소재 접합기술로서 브레이징 기술이 소개되고 있다. 이러한 브레이징은 제3의 융착재(filler metal)을 접합부에 공급하여 다양한 소재에 적용이 가능하며, 접합강도 및 기밀성이 우수한 장점이 있다.
또한, 가열원은 화염으로부터 시작해서 고주파 유도 전기 및 레이저 등 다양하게 선택할 수 있고, 두 모재간의 좁은 간극을 용융 금속의 퍼짐성 , 젖음성이 우수한 소재 발굴이 필요하다.
도 1은 일반적인 브레이징 기법을 나타낸 도면으로, 가령, 임펠라 또는 터빈 블레이드에서 블레이징 예를 나타낸 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 액상 브레이징 용액을 도포함으로 인해서 불균일한 브레이징 용액이 남아 있음이 확인되거나(A), 도 1b에 도시된 바와 같이, 블레이드 굴곡(상향) 부분에 전반적으로 브레이징 험핑(humping) 현상이 다수 발견되고 있다.
또한, 브레이징 노 내에서 발생하는 고열로 인해서 용접 후 응력잔류 현상이 발생하며, 이로 인한 변형 발생의 문제점이 있다.
즉, 블레이드와 쉘의 간극으로 인한 불량이 발생하고, 별도의 지그가 없어, 자중(hanging)에 의해서 지지된 상태이며, 1,100℃ 이상의 고온 노출로 인한 소재의 변형이 발생할 수 있다.
또한, 변형량을 설계에 고려하기에는 산포가 너무 크고 블레이징 공정 후에 별도의 사이징(sizing) 작업을 실시하고 블레이드 고정을 위한 별도의 홈 가공 공정이 추가되고 얼라이먼트용 팁 벤딩 작업 및 변형이 필요한 문제점이 있다.
한국공개특허 10-2019-0042051호(2019.04.23 공개)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고밀도 에너지인 레이저를 적용하여 임펠라 또는 터빈 본체에 블레이드를 레이저 가공하여 상호 결합시켜 결합 강도가 높아 내구성이 우수하고 빠른 가공시간으로 접합시간을 단축할 수 있는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 레이저 용접시 가공시간 단축에 따른 시간적 비용 절감과 별도의 브레이징 용액의 추가가 없어 획기적인 원가절감 효과로 제조 비용을 절감함에 그 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명은, 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법에 있어서, 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 블레이드가 결합되는 블레이드 어셈블리를 제조하기 위해 레이저 파라미터로서 미리 결정해둔 가공정보를 저장하는 단계; 사용자 인터페이스를 통해 상기 가공정보를 제공받아, 상기 가공정보에 따라 상기 블레이드 어셈블리에서 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부를 레이저 가공하여 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 가공은 레이저 브레이징 또는 레이저 용접 방법인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 용접 방법에서, 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부에서 전체가 아닌 갭이 없는 부분 또는 양끝 단부를 중심으로 부분 용접하는 스티치 용접 과정을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 용접 방법에서, 상기 블레이드의 에지부를 따라가면서 상기 접합부의 양끝 단부에 대한 부분 용접과 함께 상기 접합부의 양끝 단부를 넘어 상기 접합부가 아닌 상기 블레이드의 에지부의 일부분까지 용접하는 접합부 코너링 용접 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 용접 방법에서, 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체에는 복수의 블레이드가 소정 간격을 두고 용접되고, 상기 복수의 블레이드는 소정 주기를 따라 1개씩 회전시켜 연속 가공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 용접 방법에서, 상기 레이저는 광섬유 레이저를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 용접 방법에서, 보호가스는 질소 가스를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 브레이징 방법은, 융착재로서 구리 페이스트를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 브레이징 방법은, 융착재로서 황동 와이어를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 브레이징 방법은, 융착재로서 CuSi 와이어를 사용하고, Nd:YAG 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 사용자 인터페이스 장치와, 레이저 장치와, 용접 지그를 구비한 가공챔버와, 위치제어기, 3D 스캐너를 구비한 레이저 가공 장치에 있어서, 상기 제어장치는, 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 블레이드가 결합되는 블레이드 어셈블리를 제조하기 위해, 상기 사용자 인터페이스를 통해 가공정보를 제공받아, 상기 가공정보에 따라 상기 레이저 장치가 상기 용접 지그 상의 상기 블레이드 어셈블리의 접합부를 따라 X-Y-Z 방향으로 이동하면서 레이저 빔을 주사하여 상기 접합부를 용접하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 장치를 제공한다.
또한, 상기 제어장치는, 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부에서 전체가 아닌 갭이 없는 부분 또는 양끝 단부를 중심으로 부분 용접하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어장치는, 상기 블레이드의 에지부를 따라가면서 상기 접합부의 양끝 단부에 대한 부분 용접과 함께 상기 접합부의 양끝 단부를 넘어 상기 접합부가 아닌 상기 블레이드의 에지부의 일부분까지 용접하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 장치는 광섬유 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 용접 지그 상의 임펠라 또는 터빈 블레이드를 소정 주기로 1개씩 회전시켜 연속 가능 기능을 제공하는 인덱싱 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 고밀도 에너지인 레이저를 적용하여 임펠라 또는 터빈용 블레이드와 코어를 레이저 가공하여 기존 브레이징 대비 제품 변형을 최소화할 뿐만아니라 강도 강화로 제품 내구성이 우수한 장점이 있다.
또한, 기존 브레이징 대비 레이저 가공에 따른 빠른 용접시간으로 접합시간을 단축하여 시간적 비용을 절감할 수 있고, 별도의 브레이징 용액의 추가가 없어 획기적인 원가절감 효과로 제조 비용을 절감할 수 있게 한다.
도 1은 일반적인 브레이징 기법을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 레이저 가공 장치를 이용한 블레이드 어셈블리 제조 과정을 나타낸 것으로, 각각 도 3a는 임펠라 또는 터빈 본체 코어 이미지, 도 3b는 본체 코어와 결합되는 블레이드 이미지, 도 3c는 블레이드 어셈블리 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 레이저 가공장치를 이용한 블레이드 용접 결과에서 강도 테스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 블레이드 용접 가공에서 2차, 3차의 연속 가공을 통해 블레이드 어셈블리의 레이저 용접에 따른 테스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 도 2의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 용접시에 변형률 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 2의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 용접시에 파괴 시험 결과른 나타낸 이미지이다.
도 9는 도 2의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 용접시에 내구 시험 결과른 나타낸 이미지이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 방법 및 장치를 설명한다.
본 발명은 고밀도 에너지인 레이저를 적용하여 임펠라 또는 터빈용 블레이드와 본체 코어를 레이저 가공하여 기존 브레이징 대비 제품 변형을 최소화할 뿐만아니라 강도 강화로 제품 내구성이 우수한 장점이 있다.
이러한 레이저 가공은 레이저 브레이징 또는 레이저 용접 방법이 사용될 수 있다.
먼저, 브레이징은 제3의 융착재(filler metal)을 접합부에 공급하여 가열원으로 레이저를 이용하여 접합 강도 및 기밀성이 우수한 장점이 있다.
특히, 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 블레이드가 결합되는 블레이드 어셈블리를 제조할 때, 본체와 블레이드의 두 모재간의 좁은 간극을 융착재의 용융금속의 퍼짐성, 젖음성이 우수한 소재가 중요하다.
가령, 융착재로서 구리 페이스트(copper paste)를 사용할 수 있고, 이때, 페이스트 내의 폴리머(polymer)의 빠른 기화와 구리(copper)의 융융과정에서, 상대적으로 폴리머가 낮은 온도에서 연소하므로, 상기 폴리머와 구리의 연소과정에서 상호 보완적인 제어가 필요하다.
또한, 융착재로서 황동 와이어를 이용할 수 있고, 이때, Zn은 30% 내외로 함유되어 브레이징 노에서 온도 조절을 통해 폭발 현상 제어가 필요하다.
또한, 융착재로서 CuSi를 이용하여 아크 브레이징에 사용될 수 있다. 이때, 레이저는 200W Nd:YAG 펄스 레이저가 사용되고, 급랭으로 인한 젖음성(wetting) 제약이 있어 온도 조절 제어를 통해 젖음성 향상 과정이 필요하다.
이때, 하고, Nd:YAG 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 레이저 용접 방법을 보다 자세히 설명한다.
<임펠라 또는 터빈 블레이드용 레이저 가공장치의 구성도>
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조용 레이저 가공장치는 제어장치(100)와, 메모리부(102)와, 사용자 인터페이스 장치(104)와, 레이저 제어기(106)와, 레이저(108)와, 광학계(110)와, 가공챔버(120)와, 위치제어기(122)와, 서보 모터(124)와, 인덱싱 장치(125)와, 3D 스캐너(126)로 구성될 수 있다.
상기 제어장치(100)는 상기 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조용 레이저 가공장치의 각부를 전반적으로 제어하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 터빈 또는 임펠라 블레이드와 이에 결합되는 본체 코어를 레이저 용접으로 표면가공하여 용접부의 접합 강도를 강화시키고 내구성을 높여 제품 변형을 최소하할 수 있게 한다.
상기 메모리부(102)는 상기 제어장치(100)의 제어 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장한다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임펠라 또는 터빈 본체 코어(도 3a 참조)와 상기 본체 코어와 결합되는 블레이드(도 3b 참조)는 블레이드 어셈블리(도 3c 참조)를 제조한다. 이때, 블레이드와 이에 결합되는 코어는 상호 접촉되는 접촉부에서 가공정보를 통해 레이저 용접을 통해 결합될 수 있다.
상기 가공 정보는 접합부의 레이저 가공을 위해 미리 정해둔 시간, 파장, 강도등이 해당될 수 있다. 여기서 상기 시간은 레이저 빔 출력시간이고, 상기 파장은 레이저 빔의 파장, 강도는 레이저 빔의 강도를 일컫는다. 또한, 상기 가공 정보에는 모터 이동 속도, 반복 가공 횟수가 더 포함될 수 있다.
상기 사용자 인터페이스 장치(104)는 사용자와 제어장치(100) 사이의 인터페이스를 담당하며, 사용자가 입력하는 각종 정보를 상기 제어장치(100)에 제공한다. 특히 사용자는 상기 사용자 인터페이스 장치(104)를 통해 상기 가공 정보로서 블레이드 용접에 필요한 시간, 파장, 강도 등을 입력할 수 있다.
상기 레이저 제어기(106)는 상기 제어장치(100)에 의한 위치제어정보에 따라 임펠라 또는 터빈 블레이드와 코어의 접합부에서 표면처리 가공을 레이저 빔을 생성하도록 레이저(108)를 제어한다.
상기 레이저(108)는 상기 레이저 제어기(106)의 제어에 따르는 시간, 파장, 및 강도의 레이저 빔을 생성하여 외부로 조사한다. 이때, 레이저는 광섬유 레이저(fiber laser)를 사용하는 것이 바람직하다, 레이저 용접은 고밀도 에너지 빔을 작은 초점을 맞춰 재료표면에 빠르게 용접하는 방법으로, 광섬유 레이저는 용접 부위 집중도가 높아 정밀하고 매질 깊숙이 용접이 가능하고 용접 속도가 빠른 장점이 있어 레이저 용접에 유리하다고 할 수 있고, 여기서, 광섬유 레이저는 6kw 광섬유 레이저 채용될 수 있다.
또한, 펄스의 시간은 Nanosecond(10-9/sec)부터 Femtosecond(10-15/sec) 또는 그 이하의 짧은 시간 폭을 가지는 레이저가 사용될 수 있다.
상기 광학계(110)는 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)와 코어의 용접에 대응되게 상기 레이저(108)의 레이저 빔을 가공챔버(120)내의 용접지그 상의 블레이드와 코어의 접합부로 조사하여, 1차 가공 이어 연속 가공할 수 있다.
또한, 레이저(108) 및 광학계(110)는 제어장치에 의한 광학계 제어정보에 따라 레이저 제어기를 통해 제어할 수 있는데, 이를 통해 원격 위치에서 용접하는 것이 가능하다. 즉, 레이저(108)에서 출력된 레이저 빔은 레이저 광학계(110)에 의해 가공챔버(120) 내의 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)와 코어의 접합부에 X-Y-Z 방향으로 주사 및 용접을 위한 표면가공이 이루어지게 된다.
상기 가공챔버(120)는 용접 지그 상에 가공대상인 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)와 코어를 수용하며, 상기 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)의 표면처리를 위한 가공정보에 대응되게 가공되도록 x,y,z 3축 이상으로 이동하면서 레이저 빔을 출력한다. 상기 x,y,z는 입체 공간에서의 3축을 나타낸다.
상기 위치제어기(122)는 상기 제어장치(100)로부터의 위치제어정보에 따라 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)를 x,y,z, 3축으로 이동되게 x,y,z, 3축 모터로 구성되는 서보 모터(124)의 구동을 제어한다.
상기 인덱싱 장치(125)는 가공 대상인 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)를 소정 주기로 회전시켜 1개씩 움직일 수 있게 한다. 이에, 상기 서보 모터와 인덱싱 장치를 통해 연속 가공으로 블레이드와 코어를 용접시킬 수 있게 한다.
상기 3D 스캐너(126)는 상기 제어장치(100)의 제어에 따라 가공대상인 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)를 3D 스캔하고 상기 3D 스캔된 정보를 상기 제어장치(100)에 제공한다. 여기서 상기 제어장치(100)는 상기 3D 스캔정보를 제공받아 임펠라 또는 터빈 블레이드(128)와 접합부의 가공 정보(가령, 용접시의 레이저 파워, 속도, 빔 사이즈 등)와 비교하여 상기 블레이드(128)와 코어의 용접 상태를 사용자에게 안내하거나 추가 가공을 위해 현재의 상태를 체크하는데 사용한다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 가공장치를 이용하고 다양한 레이저 파라미터를 설정하여 블레이드 접합한 결과를 나타낸 도면이다. 이때, 6kw 파이버 레이저와 고심도 3D 스캐너를 이용하여 블레이드 3차원 프로파일을 따라가면서 원격 위치에서 용접하는 방식으로, 서보 모터와 인덱싱 장치를 통해 연속가공으로 블레이드 1개씩 회전시키면서 FEM 해석을 통해 최적 용접 설게한 결과이다.
또한, 표 1은 가공 정보로서 레이저(가령, 6kw 광섬유 레이저) 파라미터를 나타낸 것이다.
구분 최적 조건
파워(power) 1kw
속도(speed) 100mm/s
빔크기(Beam size) 300㎛
앰프(Amp) 1mm
오브랩(overlap) 50%
보호가스(shield gas) N2
주기(cycle time) 1.2sec
표 1을 참조하면, 레이저 용접시에는 서보모터와 회전 인덱싱 장치를 통해 용접 지그상의 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체 상에서 복수의 블레이드가 소정 간격을 두고 용접되는데, 소정 주기 1.2 second 단위로 1개씩 회전시켜 연속 가공한다.
또한, 파워 900w ~1kw 범위의 레이저 출력으로, 보호가스(shield gas)가 적용된다. 이때, 레이저 용접에서 보호 가스는 용융금속의 산화를 방지할 뿐만아니라 레이저 용접과정에서 접속 광학계를 보호하며, 특히 용접시 발생하는 플라즈마를 억제 또는 제거할 수 있다. 이러한 보호 가스는 종류와 유량압력이 용접부 형성에 영향을 미치는데, Ar, He, N2, 또는 Ar-N2, Ar-CO2 등의 혼합가스가 사용될 수 있다. 본 발명에서는 질소 가스(N2)를 사용하였다.
또한, 레이저 용접 과정에서, 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부 전체에 대한 전체 접합과 일부에 대한 부분 접합을 수행하였다.
도 4는 도 2의 레이저 가공장치를 이용한 블레이드 용접 결과에서 강도 테스트 이미지를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 용접 강도를 예비검사하기 위해 peel test를 실시하였고, 이를 도 4a의 기존의 브레이징 샘플과 비교하였다.
즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기존 브레이징 샘플에서는 peel test 결과 파단이 발생하였고, 본 발명에 따른 레이저 용접결과, 도 4b에 도시된 바와 같이, 1차 레이저 용접시에는 peel test 결과 파단이 발생하였다.
그러나, 도 4c에 도시된 바와 같이, 2차 레이저 용접시에 코너부 보강후에 용접한 경우에는 peel test 결과 용접부 파단이 발생하지 않아 레이저 용접에 따른 접합 강도가 우수함을 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6는 도 4의 블레이드 용접 가공에서 2차, 3차의 연속 가공을 통해 블레이드 어셈블리의 레이저 용접에 따른 테스트 이미지를 나타낸 것이다.
이때, 본 발명에 따른 레이저 용접시에 블레이드 어셈블리의 접합부 전 구간에 대한 전체 용접시에는 접합부 전 구간 중에서 중앙 부분에서는 본체와 블레이드의 접촉부분에서 갭이 발생하여 용접 품질에 일부 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있다.
이에, 레이저 용접시에 블레이드 어셈블리의 접합부 전 구간에 대한 전체 용접이 아니라 부분 구간 용접을 행할 경우 충분한 접합 강도가 나올 것으로 판단된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전체 용접이 아닌 부분 용접으로 접합부 전 구간이 아니라 갭이 없는 부분 또는 양끝 단부를 중심으로 부분 용접할 경우 접합 강도에서 우수함을 확인할 수 있다.
이때, 접합부 전 구간이 아닌 갭이 없는 부분 또는 양끝 단부를 중심으로 용접하는 형태로서 띄엄 띄엄 용접하는 스티치(stitch) 용접 과정이 적용될 수 있다.
여기서, 상기 레이저 용접 과정에서, 상기 블레이드의 에지부를 따라가면서 상기 접합부의 양끝 단부에 대한 부분 용접을 수행하는데, 에지부를 따라가는 소정범위의 곡선 범위에서 소정 간격을 두고 점을 찍어 용접하는 형태의 점 용접 방식형태가 해당될 수 있다.
이어, 도 5b에 도시된 바와 같이, 부분 용접과 함께, 상기 접합부의 양끝 단부를 넘어 상기 접합부가 아닌 상기 블레이드의 에지부의 일부분까지 용접하는 접합부 코너링 용접 과정이 더 추가될 수 있다. 이때, 접합부 끝단부에서 코너링 용접 추가로 접합부 끝단에서의 응력 집중 현상을 감소시킬 수 있어 도 4b의 1차 부분 용접에서의 파단 현상을 방지할 수 있게 한다. 이와 같이,에지부에서 코너링 용접 보강으로 용접 강도를 향상시킬 수 있다(도 4c 및 도 5b 참조).
도 6a에 도시된 바와 같이 연속 용접시 보호 가스가 고루 분포되지 않아 산화가 발생할 수 있는데, 도 6b에 도시된 바와 같이, 쉴딩가스 노즐 및 지그 수정 후에 블레이드 단품을 4부분으로 나누어 용접하는 형태로 가공하여 이를 해결할 수 있다.
즉, 도 4c 및 도 5b에서 2차 가공에서 부분 용접 및 코너링 용접 추가로 용접 강도 시킴에 추가하여, 대칭적인 4구간으로 나누어 용접하는 방식(대칭적 6구간 방식으로도 가능)으로 블레이드 어셈블리의 끝단부 용접추가로 인해서 응력 집중 현상이 감소됨을 확인하고, 접합 강도 우수함을 확인하였다.
도 7은 도 2의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 용접시에 변형률 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 기존의 브레이징 샘플 3대와 본 발명에 따른 레이저 용접 샘플 3대를 비교한 변형률을 각 샘플별 8개 포인트에서 접합전과 접합후의 변화량을 비교하였다.
그 결과, 기존 브레이징(max. 0.5mm) 대비 본 발명의 레이저 용접(max. 0.05mm)의 변형량이 획기적으로 개선되었음을 확인할 수 있다.
도 8은 도 2의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 용접시에 파괴 시험 결과른 나타낸 이미지이다.
도 8을 참조하면, 원가 절감으로 중형 별실 NTL 임펠라 블레이드 레이저 용접부의 T/C 파괴 시험을 통한 용접 강도 확인 결과를 나타낸 것으로, 평가 조건으로는 회전수 10,000 rpm/내구시간 5분에서 T/C 파괴 시험 결과이다.
그 결과, 블레이드 어셈블리의 용접부에서 임펠라 블레이드와 코어의 이탈 현상이 없어 레이저 용접 부분 파괴 시험 내구 강도가 매우 우수함을 확인할 수 있다.
도 9는 도 2의 레이저 가공장치를 이용하여 레이저 용접시에 내구 시험 결과른 나타낸 이미지이다.
도 9를 참조하면, 원가 절감으로 중형 별실 NTL 임펠라 블레이드 레이저 용접부의 스톨내구 시험을 통한 용접 강도 확인 결과를 나타낸 것으로, 평가 조건으로는 속도비 0.1SR/출력토크 450 Nm/유압 Tc in 700kPa, Tc out 400kPa/내구시간 30시간에서 스톨내구 시험 결과이다.
그 결과, 스톨 내구 전후 성능 변화율 5% 이내를 만족하여 블레이드 어셈블리의 용접부에서 임펠라 블레이드와 코어의 이탈 현상이 없어 레이저 용접 부분 스톨 내구 강도를 만족함을 확인할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 제어장치
102 : 메모리부
104 : 사용자 인터페이스장치
106 : 레이저 제어기
108 : 레이저
110 : 광학계
120 : 가공챔버
122 : 위치제어기
124 : 서보 모터
125 : 인덱싱 장치

Claims (15)

  1. 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법에 있어서,
    임펠라 본체 또는 터빈 본체와 블레이드가 결합되는 블레이드 어셈블리를 제조하기 위해 레이저 파라미터로서 미리 결정해둔 가공정보를 저장하는 단계;
    사용자 인터페이스를 통해 상기 가공정보를 제공받아, 상기 가공정보에 따라 상기 블레이드 어셈블리에서 상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부를 레이저 가공하여 결합하는 단계;를 포함하고,
    상기 레이저 가공은 레이저 브레이징 또는 레이저 용접 방법이고,
    상기 레이저 용접 방법에서,
    상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부에서 전체가 아닌 갭이 없는 부분 또는 양끝 단부를 중심으로 부분 용접하는 스티치 용접 과정과,
    상기 블레이드의 에지부를 따라가면서 상기 접합부의 양끝 단부에 대한 부분 용접과 함께 상기 접합부의 양끝 단부를 넘어 상기 접합부가 아닌 상기 블레이드의 에지부의 일부분까지 용접하는 접합부 코너링 용접 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 용접 방법에서,
    상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체에는 복수의 블레이드가 소정 간격을 두고 용접되고,
    상기 복수의 블레이드는 소정 주기를 따라 1개씩 회전시켜 연속 가공하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 용접 방법에서,
    상기 레이저는 광섬유 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 용접 방법에서,
    보호가스는 질소 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 브레이징 방법은, 융착재로서 구리 페이스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 브레이징 방법은, 융착재로서 황동 와이어를 이용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 브레이징 방법은, 융착재로서 CuSi 와이어를 사용하고,
    Nd:YAG 펄스 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조 방법.
  8. 사용자 인터페이스 장치와, 레이저 장치와, 용접 지그를 구비한 가공챔버와, 위치제어기, 3D 스캐너를 구비한 레이저 가공 장치에 있어서,
    제어장치는,
    임펠라 본체 또는 터빈 본체와 블레이드가 결합되는 블레이드 어셈블리를 제조하기 위해, 상기 사용자 인터페이스 장치를 통해 가공정보를 제공받아,
    상기 가공정보에 따라 상기 레이저 장치가 상기 용접 지그 상의 상기 블레이드 어셈블리의 접합부를 따라 X-Y-Z 방향으로 이동하면서 레이저 빔을 주사하여 상기 접합부를 용접하고,
    상기 임펠라 본체 또는 터빈 본체와 상기 블레이드가 접촉하는 접합부에서 전체가 아닌 갭이 없는 부분 또는 양끝 단부를 중심으로 부분 용접하고,
    상기 블레이드의 에지부를 따라가면서 상기 접합부의 양끝 단부에 대한 부분 용접과 함께 상기 접합부의 양끝 단부를 넘어 상기 접합부가 아닌 상기 블레이드의 에지부의 일부분까지 용접하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 가공 장치에서, 보호가스는 질소 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 광섬유 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 용접 지그 상의 임펠라 또는 터빈 블레이드를 소정 주기로 1개씩 회전시켜 연속 가능 기능을 제공하는 인덱싱 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 임펠라 또는 터빈 블레이드 제조를 위한 레이저 가공 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012101282A (ja) * 2012-01-10 2012-05-31 Hitachi Plant Technologies Ltd 羽根車の溶接方法、溶接装置及び羽根車
KR20120131096A (ko) * 2011-05-24 2012-12-04 가부시기가이샤 디스코 레이저 가공 장치
KR20150041118A (ko) * 2012-09-12 2015-04-15 지멘스 에너지, 인크. 3d 이미징 용접 경로 제어와 관련된 자동화 초합금 레이저 클래딩 시스템
KR20190042051A (ko) 2016-10-27 2019-04-23 만 에너지 솔루션즈 에스이 터보기계 임펠러의 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120131096A (ko) * 2011-05-24 2012-12-04 가부시기가이샤 디스코 레이저 가공 장치
JP2012101282A (ja) * 2012-01-10 2012-05-31 Hitachi Plant Technologies Ltd 羽根車の溶接方法、溶接装置及び羽根車
KR20150041118A (ko) * 2012-09-12 2015-04-15 지멘스 에너지, 인크. 3d 이미징 용접 경로 제어와 관련된 자동화 초합금 레이저 클래딩 시스템
KR20190042051A (ko) 2016-10-27 2019-04-23 만 에너지 솔루션즈 에스이 터보기계 임펠러의 제조 방법

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